BMW testkørsel og brint: del to

"Vand. Det eneste slutprodukt af BMW's rene motorer er at bruge flydende brint i stedet for petroleumsbrændstoffer og gør det muligt for alle at nyde nye teknologier med god samvittighed."

BMW måde

Disse ord er et citat fra en reklamekampagne fra en tysk virksomhed for flere år siden. I lang tid var der ingen, der satte spørgsmålstegn ved, at bayerne udmærket ved, hvad de laver, når det kommer til motorteknologi og er en af de ubestridte verdensledere på dette område. Man skulle heller ikke tro, at en virksomhed, der har vist solid salgsvækst de seneste år, ville smide et væld af penge på lidt kendte annoncer for lovende teknologier med en usikker fremtid.

Samtidig er de citerede ord dog en del af en kampagne, der skal promovere en ret eksotisk 745-timers brintversion af den bayerske bilproducents flagskib. Eksotisk, for ifølge BMW vil overgangen til alternativer til kulbrintebrændstoffer, som bilindustrien har fodret med lige fra begyndelsen, kræve en ændring af hele produktionsinfrastrukturen. Sidstnævnte er nødvendigt, fordi bayerne ser en lovende udviklingsvej ikke i de bredt annoncerede brændselsceller, men i konverteringen af forbrændingsmotorer til at køre på brint. BMW mener, at opgraderingen er et løseligt problem og har allerede gjort betydelige fremskridt med at løse hovedproblemet med at opnå pålidelig motorydelse og eliminere dens tilbøjelighed til ukontrollerede forbrændingsprocesser ved hjælp af rent brint. Succes i denne retning skyldes kompetencen inden for elektronisk styring af motorprocesser og muligheden for at bruge BMW patenterede fleksible gasdistributionssystemer Valvetronic og Vanos, uden hvilke det ville være umuligt at sikre normal drift af "brintmotorer" . De første skridt i denne retning går dog tilbage til 1820, hvor designeren William Cecil skabte en brintdrevet motor, der opererede efter det såkaldte "vakuumprincip" - et skema meget forskelligt fra det senere opfundne motor med en intern motor . brændende. I sin første udvikling af forbrændingsmotorer 60 år senere brugte pioneren Otto den allerede nævnte og kul-afledte syntetiske gas med et brintindhold på omkring 50 %. Men med opfindelsen af karburatoren er brugen af benzin blevet meget mere praktisk og mere sikker, og flydende brændstof har erstattet alle andre alternativer, der har eksisteret indtil nu. Egenskaberne ved brint som brændstof blev genopdaget mange år senere af rumindustrien, som hurtigt opdagede, at brint havde det bedste energi/masse-forhold af ethvert brændstof kendt af menneskeheden.

I juli 1998 forpligtede den europæiske sammenslutning af bilindustri (ACEA) sig til Den Europæiske Union til at reducere CO2008-emissioner fra nyregistrerede køretøjer i Unionen med et gennemsnit på 2 gram pr. Kilometer med 140. I praksis betød dette en reduktion på 25% i emissioner i forhold til 1995, og det gennemsnitlige brændstofforbrug for den nye flåde var ca. 6,0 l / 100 km. I den nærmeste fremtid forventes yderligere foranstaltninger at reducere kuldioxidemissionerne med 14% inden 2012. Dette gør opgaven for bilfirmaer ekstremt vanskelig og kan ifølge BMW-eksperter løses enten ved at bruge brændstof med lavt kulstofindhold eller ved helt at fjerne kulstof fra brændstofsammensætningen. Ifølge denne teori dukker brint op igen i bilarenaen i al sin pragt.

Det bayerske firma blev den første bilproducent til masseproduktion af brintdrevne køretøjer. De optimistiske og selvsikre påstande fra professor Burkhard Geschel, BMW-bestyrelsesmedlem med ansvar for nye udviklinger, om at "virksomheden vil sælge brintbiler inden udløbet af den nuværende 7-serie" er gået i opfyldelse. Med sin seneste version, Hydrogen 7, den syvende serie, der blev introduceret i 2006, med en 12 hk 260-cylindret motor. denne besked er allerede blevet en realitet. Hensigten syntes ganske ambitiøs, men ikke uden grund. BMW har eksperimenteret med forbrændingsmotorer, der kører på brint siden 1978, og den 11. maj 2000 lavede en unik demonstration af mulighederne for dette alternativ. En imponerende flåde på 15 750 hl køretøjer fra den forrige generation af ugen, der drives af brint tolvcylindrede motorer, afsluttede maraton på 170 km og fremhævede virksomhedens succes og løftet om ny teknologi. I 000 og 2001 fortsatte nogle af disse køretøjer med at deltage i forskellige demonstrationer til støtte for brintideen. Derefter var det tid til en ny udvikling baseret på den næste 2002-serie ved hjælp af en moderne 7-liters V-4,4-motor, der var i stand til en tophastighed på 212 km / t, efterfulgt af den seneste udvikling med en 12-cylindret V-XNUMX. Ifølge virksomhedens officielle mening er årsagerne til, at BMW valgte denne teknologi frem for brændselsceller, både kommercielle og psykologiske. For det første vil denne metode kræve betydeligt mindre investeringer, hvis produktionsinfrastrukturen ændres. For det andet, fordi folk er vant til den gode gamle forbrændingsmotor, kan de lide det, og det vil være svært at skille sig ud med det. Og for det tredje viste det sig i mellemtiden, at denne teknologi udvikler sig hurtigere end brændselscelle-teknologi.

I BMW-biler opbevares brint i en superisoleret kryogenbeholder, ligesom en højteknologisk termokandeflaske udviklet af den tyske kølekoncern Linde. Ved lave opbevaringstemperaturer er brændstoffet i flydende fase og kommer ind i motoren som almindeligt brændstof.

På dette stadium fokuserede designerne af München -virksomheden på indirekte brændstofindsprøjtning, og blandingens kvalitet afhænger af motorens driftstilstand. I delbelastningstilstand kører motoren på magre blandinger, der ligner dieselbrændstof - ændringen foretages kun i mængden af indsprøjtet brændstof. Dette er den såkaldte "kvalitetskontrol" af blandingen, hvor motoren kører med overskydende luft, men på grund af den lave belastning minimeres dannelsen af nitrogenemissioner. Når der er behov for betydelig effekt, begynder motoren at fungere som en benzinmotor og går videre til den såkaldte "kvantitative kontrol" af blandingen og normale (ikke magre) blandinger. Disse ændringer er mulige på den ene side på grund af hastigheden af elektronisk styring af processer i motoren, og på den anden side på grund af den fleksible drift af gasdistributionskontrolsystemer - "dobbelt" Vanos, der arbejder sammen med Valvetronic indsugningskontrolsystem uden gasspjæld. Det skal huskes på, at ifølge BMW -ingeniører er denne udviklings arbejdsprogram kun et mellemtrin i udviklingen af teknologi, og at motorer i fremtiden vil skifte til direkte brintindsprøjtning i cylindre og turboladning. Disse teknikker forventes at resultere i bedre køretøjsdynamik end en sammenlignelig benzinmotor og en forøgelse af forbrændingsmotorens samlede effektivitet med mere end 50%. Her afholdt vi bevidst fra at berøre emnet "brændselsceller", da dette problem har været ret aktivt brugt på det seneste. Samtidig skal vi dog nævne dem i forbindelse med BMWs brintteknologi, da designerne i München besluttede at bruge netop sådanne enheder til at drive det indbyggede elektriske netværk i biler, hvilket fuldstændigt eliminerede konventionel batteristrøm. Dette træk giver mulighed for yderligere brændstofbesparelser, da brintmotoren ikke behøver at drive generatoren, og det elektriske system ombord bliver fuldstændig autonomt og uafhængigt af kørebanen - det kan generere elektricitet, selv når motoren ikke kører, samt producere og forbruge energi egner sig til fuld optimering. Det faktum, at der nu kun kan produceres så meget elektricitet som nødvendigt for at drive vandpumpen, oliepumperne, bremseforstærkeren og kabelforbundne systemer, giver også ekstra besparelser. Men parallelt med alle disse innovationer gennemgik brændstofindsprøjtningssystemet (benzin) praktisk talt ikke dyre designændringer. For at fremme brintteknologier i juni 2002 oprettede BMW Group, Aral, BVG, DaimlerChrysler, Ford, GHW, Linde, Opel MAN partnerskabsprogrammet CleanEnergy, der begyndte med udviklingen af tankstationer med flydende og komprimeret brint.

BMW er initiativtager til en række andre fælles projekter, blandt andet med olieselskaber, hvor blandt de mest aktive deltagere er Aral, BP, Shell, Total. Interessen for dette lovende område vokser eksponentielt - i løbet af de næste ti år vil EU alene yde direkte økonomiske bidrag til fonde til finansiering af udvikling og implementering af brintteknologier i et beløb på 2,8 milliarder euro. Omfanget af private virksomheders investeringer i udviklingen af "brint" i denne periode er svært at forudsige, men det er klart, at det mange gange vil overstige fradragene fra non-profit organisationer.

Brint i forbrændingsmotorer

Det er interessant at bemærke, at det på grund af brints fysiske og kemiske egenskaber er meget mere brandfarligt end benzin. I praksis betyder det, at der kræves meget mindre startenergi for at starte forbrændingsprocessen i brint. Til gengæld kan meget magre blandinger sagtens bruges i brintmotorer – noget som moderne benzinmotorer opnår gennem komplekse og dyre teknologier.

Varmen mellem partiklerne i brint-luftblandingen spredes mindre, og samtidig er selvantændelsestemperaturen og hastigheden af forbrændingsprocesser meget højere end for benzin. Brint har en lav densitet og en stærk diffusivitet (muligheden for, at partikler trænger ind i en anden gas - i dette tilfælde luft).

Den lave aktiveringsenergi, der kræves til selvantændelse, er en af de største udfordringer ved at kontrollere forbrændingsprocesser i brintmotorer, fordi blandingen nemt kan selvantænde på grund af kontakt med varmere områder i forbrændingskammeret og modstand mod at følge en kæde af helt ukontrollerede processer. At undgå denne risiko er en af de største udfordringer ved at udvikle brintmotorer, men det er ikke let at eliminere konsekvenserne af, at en meget diffus brændende blanding bevæger sig meget tæt på cylindervæggene og kan trænge igennem ekstremt smalle mellemrum. såsom lukkede ventiler, for eksempel... Alt dette skal tages i betragtning, når disse motorer designes.

En høj selvantændelsestemperatur og et højt oktantal (ca. 130) tillader en forøgelse af motorens kompressionsforhold og dermed dens effektivitet, men igen er der fare for, at brændstof automatisk antændes ved kontakt med den varmere del. i cylinderen. Fordelen ved den høje diffusionskapacitet for brint er muligheden for let blanding med luft, hvilket i tilfælde af en tanknedbrud garanterer hurtig og sikker spredning af brændstoffet.

Den ideelle luft-brintblanding til forbrænding har et forhold på ca. 34:1 (for benzin er dette forhold 14,7:1). Det betyder, at når man kombinerer den samme masse af brint og benzin i det første tilfælde, kræves der mere end dobbelt så meget luft. Samtidig fylder brint-luftblandingen væsentligt mere, hvilket forklarer, hvorfor brintdrevne motorer har mindre effekt. En rent digital illustration af forhold og volumener er ret veltalende - densiteten af brint klar til forbrænding er 56 gange mindre end den for benzindamp .... Det skal dog bemærkes, at brintmotorer i princippet også kan køre med luft-brint-blandinger op til 180:1 (dvs. meget "magre" blandinger), hvilket igen betyder, at motoren kan betjenes. uden gasspjæld og brug princippet om dieselmotorer. Det skal også bemærkes, at brint er den ubestridte førende i sammenligningen af brint og benzin som energikilder i form af masse - et kilogram brint er næsten tre gange mere energikrævende end et kilogram benzin.

Som med benzinmotorer kan flydende brint indsprøjtes direkte foran ventilerne i manifolderne, men den bedste løsning er indsprøjtning direkte under kompressionsslaget - i dette tilfælde kan effekten overstige en tilsvarende benzinmotor med 25%. Dette skyldes, at brændstoffet (brint) ikke fortrænger luft som i en benzin- eller dieselmotor, hvilket kun tillader luft (betydeligt mere end normalt) at fylde forbrændingskammeret. Også i modsætning til benzinmotorer behøver brintmotorer ikke strukturel hvirvling, fordi brint diffunderer godt nok med luft uden denne foranstaltning. På grund af de forskellige forbrændingshastigheder i forskellige dele af cylinderen er det bedre at placere to tændrør, og i brintmotorer er brugen af platinelektroder upraktisk, da platin bliver en katalysator, der fører til brændstofoxidation ved lave temperaturer.

H2R

H2R er en fungerende supersport-prototype bygget af BMW-ingeniører og drevet af en tolv-cylindret motor, der når en maksimal ydelse på 285 hk, når den drives af brint. Takket være dem accelererer den eksperimentelle model fra 0 til 100 km / t på seks sekunder og når en tophastighed på 300 km / t. H2R-motoren er baseret på standard top-end enhed, der bruges i benzin 760i og tog kun ti måneder til at udvikle sig. For at forhindre spontan forbrænding har de bayerske specialister udviklet en speciel flowcyklus og indsprøjtningsstrategi i forbrændingskammeret ved at bruge de muligheder, som motorens variable ventiltimingssystemer giver. Før blandingen kommer ind i cylindrene, afkøles sidstnævnte med luft, og tændingen udføres kun i det øverste dødpunkt - på grund af den høje forbrændingshastighed med brintbrændstof er det ikke nødvendigt med tænding.

Fund

Den økonomiske analyse af overgangen til ren brintenergi er endnu ikke særlig optimistisk. Produktion, opbevaring, transport og levering af let gas er stadig ret energiintensive processer, og på det nuværende teknologiske stadium af menneskelig udvikling kan en sådan ordning ikke være effektiv. Dette betyder dog ikke, at forskning og søgning efter løsninger ikke fortsætter. Forslag om at generere brint fra vand ved hjælp af elektricitet fra solpaneler og opbevare det i store tanke lyder optimistisk. På den anden side lyder processen med at generere elektricitet og brint i gasfasen i Sahara-ørkenen, transportere den til Middelhavet med rørledning, flydende og transportere den med kryogene tankskibe, aflæsning i havne og endelig transport med lastbil lyder i øjeblikket lidt latterligt ...

En interessant idé blev for nylig præsenteret af det norske olieselskab Norsk Hydro, der foreslog at producere brint fra naturgas på produktionssteder i Nordsøen, og det resterende kulilte blev lagret i udtømte felter under havbunden. Sandheden ligger et sted i midten, og kun tiden vil vise, hvor udviklingen af brintindustrien vil gå.

Mazda variant

Det japanske firma Mazda viser også sin version af brintmotoren - i form af en roterende enhedssportsvogn RX-8. Dette er ikke overraskende, fordi designfunktionerne i Wankel-motoren er yderst velegnede til at bruge brint som brændstof. Gassen opbevares under højt tryk i en speciel tank, og brændstoffet sprøjtes direkte ind i forbrændingskamrene. På grund af det faktum, at i tilfælde af roterende motorer er områderne, hvor indsprøjtning og forbrænding finder sted, adskilt, og temperaturen i sugedelen er lavere, reduceres problemet med muligheden for ukontrolleret tænding betydeligt. Wankel-motoren byder også på plads nok til to injektorer, hvilket er ekstremt vigtigt for at indsprøjte den optimale mængde brint.